用于加速带电粒子的加速器和加速器的运行方法 |
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| 申请号 | CN200980125998.5 | 申请日 | 2009-05-19 | 公开(公告)号 | CN102084729A | 公开(公告)日 | 2011-06-01 |
| 申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 奥利弗·希德; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种用于 加速 带电粒子的加速器，所述加速器包括至少两个具有不同延迟的延迟线，其中至少两个延迟线具有 电磁波 可导入其内以产生加速电势的 输入侧 ，其中延迟线的输入侧设计为用于反射电磁波，且加速电势可至少部分地通过在输入侧反射的波产生。本发明涉及一种用于运行加速器的方法，所述加速器包括至少两个具有不同延迟的延迟线，其中至少两个延迟线具有电磁波被导入其内以产生加速电势的输入侧，其中导入延迟线内的电磁波在输入侧被反射，且加速电势至少部分地由在输入侧反射的波产生。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于加速带电粒子的加速器，所述加速器包括： |
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| 说明书全文 | 用于加速带电粒子的加速器和加速器的运行方法技术领域[0001] 本发明涉及一种用于加速带电粒子的加速器，且涉及一种运行此类加速器的方法。此类加速器除了别的之外可使用在医疗技术中等，特别地使用在放射治疗中，其中为产生治疗射线，需要将带电粒子，例如电子、质子或其他带电离子加速。带电例子例如可用于产生X轫致辐射或直接用于照射目标物体。 背景技术[0002] 为此已知所谓的“dielectric wall accelerator”(具有介质壁的加速器的英语)，也简称为DWA。此类加速器通常是无铁芯的感应粒子加速器，所述加速器包括通常带有多个延迟线的包(Paket)，且其工作方式基于电磁波在延迟线内的不同的时延。电磁波信号在延迟线内传播的基本原理例如在A.D.Blumlein的US 2,465,840中公开。 [0003] 在加速器中，在多个延迟线或时延线(Leifzeitleitung)内导入电流脉冲。延迟线的几何布置和通过电流脉冲产生的电磁波产生了随时间变化的磁场或磁通量的变化，这-取决于延迟线的几何布置-在一个位置(例如射线管内部)产生了加速电势。此电势用于将带电粒子加速。 [0004] 此类粒子加速器从US 5,757,146中已知。作为延迟线的包，在该发明中使用了盘形平板电容器对的堆。在此，一个电容器对包括两个盘形的平板电容器。平板电容器的高度和电容器板之间的电介质选择为使得电磁冲击波在电容器对的一个电容器内比另一个电容器内明显传播得更快。根据由A.D.Blumlein所公开的延迟线，此类电容器对也被称为非对称Blumlein或Blumlein模块。 [0005] 盘形电容器对的堆或Blumlein模块在此围绕中心管布置。每个第二电容器板与另一个电容器板相反，处于正电势。在静态情况中，电容器分别交替地产生相反的电场，所述电场在堆的内部，即沿中心管平衡。如果现在将电容器板在外周短路连接，则在电容器对之间径向向内传播了电磁冲击波。通过指向中心的冲击波在每个第二电容器内的更快的传播速度，在每个第二电容器内的冲击波前(Stoβwellenfront)在如下时刻到达中心管，在该时刻，在另一个电容器内的冲击波前仍在向内传播的途中且尚未到达中心管。因此，产生了电磁场的态势(Konstellation)，它在一定时间沿着管在堆的中心产生电势。由电容器对产生的电势在理想情况中等于电容器板的充电电压的二倍，且该电势一直存在，直至更慢的冲击波也到达中心管。此时间段可用于将带电粒子沿管加速。冲击波在延迟线的输出处-在此情况中在内管处-被反射。这也由于不同的时延而在不同的时刻发生。 [0006] 在Nunnally等人的文献“High electric field，high current packaging of SiC Photo-Switches”中公开了碳化硅半导体开关，使用该开关通过在半导体内的光致放电实现了开关的快速闭合。此外，此类开关允许了高电流强度，且在断开状态中所述开关容许高的电场。 发明内容[0007] 本发明要解决的技术问题是，提供一种加速器，所述加速器实现了有效的运行且允许廉价的制造。此外，本发明要解决的技术问题是，给出用于运行加速器的方法，所述方法实现了廉价的加速器的有效运行。 [0009] 根据本发明的用于加速带电粒子的加速器包括至少两个具有不同延迟的延迟线，其中至少两个延迟线具有输入侧，用于产生加速电势的电磁波可导入其内，其中借助于波可在输出侧上产生加速电势。在这种意义上，加速器是感应加速器。此外，延迟线的输入侧设计为用于反射电磁波，其中输出侧上的加速电势可至少部分地通过在输入侧反射的波产生。 [0010] 导入延迟线中的一个内的波在延迟线中传播，且在延迟线端部处遇到输出侧。波在该输出侧上被反射且又传播回输入侧。由于在两个延迟线内不同的延迟，同时导入的波在一个延迟线内比在另一个延迟线内更早被反射。电磁波的态势在输出侧上在一定时间段内产生了加速电势，所述加速电势被利用以将带电粒子加速。 [0011] 延迟线在此一般地理解为可在输入侧将电磁波导入其中的结构，所述电磁波向输出侧传播。特别地，延迟线可具有带有电容器板的电容器状结构，在所述电容器板之间布置了电介质。电容器状结构例如可具有盘状构造，或也具有另外的构造，例如长的矩形、螺旋状缠绕的长结构等。加速器通常具有多个延迟线，使用所述延迟线通过利用不同的延迟产生加速电势。 [0012] 根据本发明现在利用如下事实，即在输出侧反射的波现在也在输入侧被反射。在输入侧再次反射的波现在用于至少部分地贡献于加速电势。因此，导入的电磁波既在输入侧也在输出侧上多次反射，且因此周期地贡献于电势。 [0013] 本发明基于如下思路，即利用输入侧的反射会带来一系列优点，特别地如果加速器应提供数百MV，例如200MV的大的总电势。例如，如果加速器具有2000个单独的延迟线的导线堆，则每个延迟线需要100kV的电势。在例如10欧姆的波阻抗时，输入侧必须接入10kA的电流。这意味着2TW(＝200MV*10kA)的瞬间功率。此外，开关时间必须明显短于时延线的延迟时间，所述时间例如为10ns。对开关的这样的要求以可实现的成本只能利用例如昂贵的碳化硅(Silizium-Carbid)半导体开关实现，如从Nunnally等人的文献中已知。 [0014] 但此类开关的优点是它们可触发地闭合，但不能立即再次断开。后者只能在较长的电流过零后才可实现。然而对于加速器，这意味着存储在延迟线内的总能量(对于以上的模块计算，超过10kJ)仅可用于加速一次，即可在数纳秒内用于加速，且不受控地在不可避免的损耗电阻中消耗。在此，快速脉冲重复与高能耗对立。 [0015] 因为现在也将输入侧反射的波用于产生电势，所以这允许很大程度上保存导入到延迟线内且存储的能量，使得现在可每秒产生明显更多的脉冲。此外，为导入电磁波而对开关功率的要求可明显降低，因为-使用上述模型计算的例子-例如仅须接通1kV而非100kV。然而此类开关功率也可通过可快速接通和切断的通常的廉价晶体管实现。为此，可使波在输入侧有目的地反射，使得不再在输入侧损失脉冲功率。 [0016] 特别地，延迟线可设计为使得在输出侧具有终端负载(Abschluss)，其具有比在输入侧的延迟线的终端负载更高的电阻。例如，延迟线可在输出侧上开路或形成高阻，而在输入侧上提供低阻负载。 [0017] 在输入侧上可提供用于导入波的开关设备，可周期接通该开关设备，其中开关的控制可由控制设备承担。用以接通开关设备的周期与延迟线的时延一致。由此，可在输入侧上反射波，且同时在合适的时刻将能量馈入延迟线内。开关设备为此可具有换向开关，例如低阻换向开关，该开关能够通过晶体管以简单的形式实现。 [0018] 特别地，用于导入电磁波的开关设备可设计为具有供电电压，其中具有大于供电电压的电压幅值的电磁波通过延迟线的谐振充电而产生。由此，可使用相对小的供电电压最终产生这样的电压幅值，该电压幅值是供电电压的数倍且使得可以实现高的加速电势。 [0019] 为保持使用以上的计算示例，可使供电电压例如为1kV，且逐渐通过谐振充电产生100kV的波。因此首先在充电阶段运行加速器，在该充电阶段中逐渐产生带有必需能量的波。在充电阶段结束时，虽然开关设备须接通10kA(＝100kV/10欧姆)的全电流，然而仅在1kV的电压下。在充电阶段结束时，即在带有希望的幅值的波馈入线内之后，可将供电电压降低至使波幅值不再增加。在极端情况中，可将输入简单地短路连接。如果希望，在成功加速粒子后，通过冲击波能量反馈回到电网设备内，可降低电压。替代地，也可简单地使冲击波振动衰减。 [0020] 加速器通常具有以脉冲运行模式运行的粒子源，使得在加速器-如需要在执行充电阶段后-周期地具备合适的加速电势时，总是从粒子源发射和提供粒子群。 [0021] 在根据本发明的方法中描述了加速器，所述加速器包括至少两个带有输入侧的延迟线，电磁波被导入该输入侧内以用于产生加速电势。在此，这样运行加速器，使得导入延迟线内的电磁波在输入侧上被反射，且使得加速电势至少部分地由在输入侧上反射的波产生。以此方式，可通过利用输入侧反射的波以“准周期”的方式运行加速器。 [0023] 根据下图详细解释具有按照从属权利要求的特征的有利扩展的本发明实施方式，而不限制于附图。各图为： [0024] 图1示出了具有带有不同延迟的延迟线的感应加速器，所述延迟线设计为电容器， [0025] 图2示出了虚拟电路的图解，所述图解用于模拟电势关系， [0026] 图3示出了通过快的时延线产生的电势的时间上的变化， [0027] 图4示出了通过慢的时延线产生的电势的时间上的变化， [0028] 图5示出了加速总电势的时间上的变化。 具体实施方式[0029] 图1示意性地示出了感应加速器11的结构。加速器11的关键部件是Blumlein模块39，利用所述Blumlein模块39可沿加速方向31产生电势。加速器11具有多个此类Blumlein模块39，其中为清晰起见，仅示意性地图示了一个Blumlein模块39。 [0030] 在此，Blumlein模块39包括快延迟线15和慢延迟线13。两个延迟线15、13设计为电容器，其中快延迟线15的电容器具有带有第一介电常数ε1的第一电介质，且其中慢延迟线的电容器具有带有第二介电常数ε2的第二电介质。电容器板例如可设计为盘33的类型，但也可构思另外的几何构造。电容器的高度和介电常数在此选择为使得电磁波在快延迟线15内的传播明显快于在慢延迟线13内的传播，在此这通过细箭头29且通过粗箭头27表示。特别有利的高度比通过1∶√3的比值给出，其中介电常数的比值为ε1∶ε2＝ 1∶9。使用此参数可将阻抗最大化，这最小化为接通而所需的电流。电磁波在两个延迟线 13、15内的时延例如可具有1∶3的比值。 [0031] 两个外侧电容器板23接地，而中间电容器板25根据电路不同可施加一电势。为此，在延迟线13、15的输入侧19上-在此即外周上-具有开关设备21，所述开关设备21包括低阻换向开关，且使用此开关设备21可为中间电容器板25提供1kV的供电电压。例如，如果在开始时中间电容器板25的电势在外周上设置为1kV，则这产生了从输入侧19径向向内向输出侧17传播的电磁冲击波。冲击波在输出侧17上-即在内周上-反射，且又传播回输入侧19。在此周期地接通开关设备21，使得返回的冲击波在输入侧19上再次反射，且径向向内传播。使用开关设备21可逐渐将另外的冲击波导入延迟线13、15内，所述导入的冲击波与往复反射的冲击波叠加，且以周期方式沿加速方向31产生加速电势。 [0032] 在此，利用了延迟线13、15的不同的时延。在通路时，处于延迟线13、15内的冲击波可谐振地充电，使得可逐渐形成相对强的电势。此情况将根据图2至图5在后文中详细解释。 [0033] 感应加速器11此外可具有可脉冲运行的粒子源35。由此可发射粒子群37，其中发射时刻选择为使得当加速方向31上存在加速电势时粒子群37总是进入加速器。 [0034] 图2示出了开关设备51，使用所述开关设备51可模拟加速电势的产生。第一时延线以Line1表示且具有L＝1000mm的电的时延长度，这对应于3.3ns的时间。第二时延线以Line2表示且具有L＝3000mm的电的时延长度，这对应于10ns的时间，由此描绘了1比3的时延比值。时延线例如分别具有Z＝20欧姆的阻抗。 [0035] 在时延线的输入侧施加矩形交变电压V1，其供电电压为U＝1kV。这样操作开关，使中间电容器板交替地对于每TK＝TL＝20ns与正电势和负电势连接，例如与1kV和地连接。一个完整的开关周期因此持续40ns或25MHz。 [0036] 在第一时延线的输出上量取通过导入的冲击波产生的电势(Pr2)。以类似的方式，在第二时延线的输出上量取所产生的电势(Pr4)。测量两个电势的差(Pr5)，其中通过求差考虑了如在图1中示出的Blumlein模块内的电容器板的不同极性。以此，可模拟两个电势的叠加。 [0037] 图3以伏特为单位示出了第一时延线的输出上产生的电势(Pr2)的时间上的变化，图4示出了第二时延线的输出上产生的电势(Pr4)的时间上的变化。由于1∶3的时延比，所以在第一时延线的输出上的电势以第二时延线的输出上的电势改变的三倍频度改变。馈入到延线的电磁波在此在输出以及输入上不断往复反射。 [0038] 在两个时延线的输入上存在矩形的交变电压V1，其周期等于较慢时延线内的电磁波的时延。 [0039] 明显可见，在图3和图4中，处于时延线内的随时间放大的电磁波的电压幅值因此谐振地充电。 [0040] 图5以伏特为单位示出了两个电势的叠加(Pr5)。总是当两个电势叠加，使得作为结果的电势为正时，可使用该电势来加速粒子群。在图5中，此类时刻以一些箭头符号表示。通常，需要一定的充电阶段，直至所产生的电势足够大，以将进入电势的粒子群以希望的方式加速。 |
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